Ausstrahlung von Wärme, Licht und chemischen Strahlen

Ausstrahlung von Wärme, Licht und chemischen Strahlen (Emission). Ein Körper wird zur Wärme- und Lichtquelle durch eine äußerst rasche, schwingende Bewegung der elektrischen Ladungen seiner Atome, der Elektronen (s. d.), die wellenartig fortschreitende, äußerst rasche Wechsel des elektrischen und magnetischen Polarisationszustandes in der Umgebung hervorbringt. Diese elektrischen (magnetischen) Wellen (s. d.) werden von unsern Sehnerven, falls die Wellenlänge zwischen 0,000330 und 0,000812 mm liegt, als Licht empfunden. Fallen sie auf einen Körper, der sie nicht hindurchläßt oder reflektiert, sondern absorbiert, so verwandelt sich ihre Energie in Wärme.

Im allgemeinen besteht die Strahlung aus Wellen von sehr verschiedener Länge (zwischen 0,0001 und 0,06 mm). Als Gesamtemission bezeichnet man die Summe der in einer Sekunde von dem Körper in Form dieser verschiedenen Strahlenarten in die Umgebung entsandten Energiemengen. Sie beträgt für eine gewöhnliche Kerzenflamme (Hefnerlampe) ungefähr 7,8. 10⁷ Erg, was nahezu dem Effekt von 0,01 Pferdekraft gleichkommt. Man könnte damit z. B. in 1 Sekunde 1,86 g Wasser um 1° erwärmen. 7,6. 10⁷ Erg davon sind dunkle Wärmestrahlung, d. h. solche, die nicht durch Wasser hindurchdringen kann, und nur 0,2.10⁷ Erg leuchtende, auf das Auge einwirkende Strahlung.

Die Sonnenstrahlung (= 8.10³⁴ Erg in 1 Sekunde = 10 Quadrillionen Pferdekräften) setzt sich zusammen aus ungefähr 6,4. 10³⁴ Erg dunkler Wärmestrahlung, 1,5. 10³⁴ Erg Licht u. 0,1. 10³⁴ Erg unsichtbarer chemischer (photographisch wirksamer) Strahlung.

Körper, die während der Strahlung keine Änderung erleiden, sondern konstant strahlen, so lange ihre Temperatur konstant bleibt, heißen thermakline, die Strahlung reine Temperaturstrahlung; solche, bei denen die Strahlung von einer chemischen Änderung u. dgl. begleitet ist, allaktine, die Strahlung Lumineszenz.

Schon bei gewöhnlicher Temperatur, selbst in der Nähe des absoluten Nullpunktes, sendet jeder Körper infolge seines Wärmezustandes Strahlen aus, und zwar in um so höherm Maße, je größer sein Absorptionsvermögen und je höher seine Temperatur ist. Nur das Emissionsvermögen absolut durchsichtiger oder vollkommen spiegelnder Körper ist, wie sich aus den Sätzen der Thermodynamik ergibt, = 0. Die intensivste Strahlung müßte ein absolut schwarzer Körper zeigen, d. h. ein solcher, dessen Dicke (wie etwa beim Wasser des Ozeans) genügend ist, alle eindringenden Strahlen zu absorbieren, und dessen Brechungsvermögen gleich dem der Umgebung ist, so daß keine Reflexion eintreten kann.

Absolut schwarz erscheint eine kleine Öffnung in einem geschlossenen Hohlkörper (z. B. die Pupille des Auges), selbst wenn die Innenwand nicht vollkommen schwarz ist, weil nämlich alle durch die Öffnung eindringenden Strahlen im Innern mannigfach reflektiert und dadurch nach und nach zerstört werden. Auch hinsichtlich der Strahlung verhält sich eine solche Öffnung wie ein absolut schwarzer Körper und erscheint deshalb, wenn der ganze Hohlkörper zum Glühen erhitzt wird, heller als die sie umgebenden Teile desselben. Der durch die Öffnung sichtbare Teil der Wandung leuchtet nämlich nicht nur vermöge seines Emissionsvermögens, sondern auch durch Reflexion der von den übrigen Teilen ihm zugesandten Strahlen, und dies um so mehr, je weniger vollkommen seine Schwärze ist, so daß die Unvollkommenheit derselben hierdurch genau ausgeglichen wird. So ist es möglich, die Gesetze der Strahlung eines absolut schwarzen Körpers, die z. B. für die Begründung eines wirli ich absoluten Maßsystems von großer Bedeutung sind, experimentell zu ermitteln.

Kann die Temperatur der Umgebung gegen die des strahlenden Körpers vernachlässigt werden, so erweist sich die Gesamtstrahlung (des absolut schwarzen Körpers) proportional der 4. Potenz der absoluten Temperatur (Stefans Gesetz). In einem Raume von der absoluten Temperatur 0° würde eine Fläche von 1 qcm in 1 Sekunde in der Richtung ihrer Normale die Energiemenge 1,71.10^-5 Erg aussenden, wenn ihre absolute Temperatur 1° wäre, bei 1000° (= 727° nach gewöhnlicher Skala) dagegen 1,71.10⁷ Erg. In einer um ϕ° gegen die Normale geneigten Richtung wäre die Strahlung: 1,71.10⁷.cosϕ und die Gesamtemission nach allen Richtungen 3,14. 1,71.10⁷ Erg.

Bei jeder Temperatur ist für eine bestimmte Wellenlänge im Spektrum die Strahlungsintensität ein Maximum und fällt von hier nach beiden Seiten gegen 0 ab. Mit steigender Temperatur verschiebt sich dieses Maximum nach der Seite der kleinern Wellenlängen. Es wächst dabei proportional der 5. Potenz der absoluten Temperatur (Gesetz von W. Wien). Körper, die nicht absolut schwarz sind, ergeben stets eine schwächere Strahlung, besonders für diejenigen Wellenlängen, die nur wenig absorbiert werden. Ein Glasstab z. B. glüht bei derselben Temperatur schwächer als ein Platinblech, ein Rußfleck auf diesem tritt aber heller leuchtend hervor. Gase leuchten, insofern nur reine Temperaturstrahlung in Betracht kommt, gar nicht Erhitzt man einen festen oder flüssigen Körper in einem absolut finstern Raum immer mehr, so macht sich zuerst bei etwa 400° ein schwacher Lichtschein (»gespenstergrau«) geltend, der indes beim Fixieren des Körpers nicht wahrgenommen wird, weil der gelbe Fleck im Auge dafür unempfindlich ist. Bei etwa 525° erscheint der Körper rotglühend, bei 1000° gelb- und bei 1200° weißglühend. Die intensive Weißglut des elektrischen Bogenlichts entspricht Temperaturen zwischen 3500 und 4000°; die Temperatur der Sonne, vorausgesetzt, daß dieselbe als absolut schwarzer, thermaktiner Körper betrachtet werden kann, ergibt sich zu etwa 6400°.

Nach dem Satze, daß das Emissionsvermögen eines Körpers seinem Absorptionsvermögen proportional ist (Kirchhoffs Gesetz), muß ein weißer Körper unter gleichen Umständen schwächer glühen als ein schwarzer. Dem widerspricht scheinbar, daß der Glühstrumpf eines Auerbrenners stärker leuchtet als die schwarzen Rußteilchen, die das Leuchten einer gewöhnlichen Gasflamme bedingen. Die Erklärung ergibt sich daraus, daß die Rußteilchen eben infolge ihres hohen Emissionsvermögens nicht dieselbe hohe Temperatur annehmen können wieder Glühstrumpf und schon eine geringe Temperaturerhöhung dem Wienschen Gesetz zufolge eine bedeutende Zunahme der Leuchtkraft bedingen muß. Ebenso ist die höhere Temperatur die Ursache der stärkern Leuchtkraft der Nernstlampe und Elektrolytbogenlampe im Vergleich zu der der gewöhnlichen elektrischen Glüh- u. Bogenlampen, bei denen Kohle der leuchtende Teil ist.

Absorbiert ein Körper einzelne Strahlenarten besonders stark, so muß dies auch im Emissionsspektrum zum Ausdruck kommen. So zeigen z. B. Kohlensäure und Wasserdampf, soweit reine Temperaturstrahlung in Betracht kommt, diskontinuierliche Spektren. Auch die Oxyde von Cer, Didym und Erbium in Verbindung mit Thorerde (Glühstrümpfe) ergeben Spektren, in denen einzelne Farben stärker hervortreten. Besonders auffällig zeigen sich aber Diskontinuitäten des Spektrums bei allaktinen Körpern, für die das Kirchhoffsche Gesetz im allgemeinen nicht gilt, wenn auch eine Beziehung zwischen Emission und Absorption oft sehr deutlich hervortritt (s. Phosphoreszenz). Hierher gehören z. B. das Leuchten durch langsame Oxydation bei Phosphor, das Licht der Leuchtkäfer und Bakterien (faules Holz, faules Fleisch), bezeichnet als Chemilumineszenz, das Leuchten bestrahlter, phosphoreszierender Körper (Photolumineszenz), das Leuchten beim Zerbrechen von Zucker (Tribolumineszenz) und namentlich das Leuchten von Gasen beim Durchgang elektrischer Entladungen oder von Kathodenstrahlen (Elektrolumineszenz). Man nimmt an, daß in diesen Fällen die Elektronen in Schwingung versetzt werden, ohne daß das ganze Molekül in solche Schwingung gebracht wird, wie es bei der Temperaturstrahlung der Fall wäre.

Ganz besonders einfache Verhältnisse zeigen sich beim Durchgang elektrischer Funken durch verdünnten Wasserstoff. Die Wellenlängen der auftretenden Spektrallinien in Millimetern lassen sich exakt darstellen durch die Formel 0,36472.n²/n^2–4(Balmers Formel), worin für n alle ganzen Zahlen von 3 an einzusetzen sind. Änderung der Temperatur bedingt keine Änderung der Lage der Linien im Spektrum, sondern nur Änderung ihrer Intensität. Vergrößerung der Dichte bedingt Verbreiterung der Linien. Bereits bei 60 mm Druck wird das Spektrum fast kontinuierlich. Bei andern Gasen, insbes. Metalldämpfen, die Linienspektren geben, zeigen sich ähnliche Regelmäßigkeiten.

Kompliziertern Bau zeigen die Bandenspektren, die bei niedriger Temperatur auftreten, besonders beim Einbringen von Metallsalzen in die Flamme des Bunsenbrenners, wenn die Temperatur nicht ausreicht, die Verbindungen zu zersetzen. Die Banden erweisen sich zusammengesetzt aus zahlreichen Linien, die nach ähnlichen Formeln verteilt sind wie die des Wasserstoffs. Man kann daraus den Schluß ziehen, daß, während die Elektronen bei Entstehung der Linienspektren nur in einer einzigen Richtung schwingen, im Falle der Bandenspektren die Schwingungen in drei zueinander senkrechten Richtungen erfolgen. Da auch reiner Wasserstoff und der einatomige Quecksilberdampf sowohl Linien- wie Bandenspektren zeigen, ist anzunehmen, daß durch die Entladungen eine Zerspaltung der Atome hervorgerufen wird. Die Kathodenstrahlen denkt man sich durch die mit großer Geschwindigkeit (vergleichbar der des Lichtes) fortgeschleuderten negativen Teile der Atome bedingt. Wie und warum die Elektronen in Schwingung versetzt werden, ist noch nicht aufgeklärt. Jedenfalls existiert eine Analogie zu der Erzeugung akustischer Schwingungen. Wie eine angeschlagene Saite einen bestimmten Grundton nebst dessen Obertönen hören läßt, der von der Länge, Dicke, Spannung und dem Material der Saite abhängt, so sind auch die Elektronen innerhalb eines jeden Moleküls nur einer bestimmten Reihe von Schwingungen fähig. deren Schwingungszahlen durch den Bau des Moleküls, d. h. durch seine chemische Beschaffenheit, vorgeschrieben sind. Ebenso wie eine Saite oder eine Stimmgabel auf einen gewissen Ton gestimmt ist, ist auch ein Natriummolekül auf den gelben Farbenton D abgestimmt. Die chemische Natur eines Stoffes verrät sich deshalb durch bestimmte helle Linien im Spektrum seines Lichtes (s. Spektralanalyse).

Wenn man in den geöffneten Kasten eines Pianinos einen Ton hineinsingt, so tönt als Antwort derselbe Ton leise zurück; die Saite nämlich, die auf diesen Ton abgestimmt ist, gerät in Schwingungen, sobald er von anderswoher erklingt. Die Schallwelle, welche die Saite in Schwingungen versetzte, hat hierbei einen Teil der Energie ihrer Bewegung an jene abgetreten; sie geht daher jenseit der Saite geschwächt weiter. Wird nun diesseit einer Harfe aus lauter gleichgestimmten Saiten eine gleichgestimmte Schallwelle erregt, so muß diese jenseits geschwächt anlangen, weil ihre Energie zum großen Teil von den Saiten aufgenommen oder absorbiert worden ist. Eine anders gestimmte Tonwelle dagegen geht durch die Harfe ungestört durch und schreitet jenseits ohne erheblichen Verlust weiter. Eine Bunsensche Flamme, in der glühende Natriummoleküle schweben, ist einer solchen Harfe vergleichbar; sie muß daher diejenige Lichtgattung D, die sie selbst ausstrahlt, schwächen oder sogar auslöschen, während sie für alle andern Strahlenarten durchsichtig ist. Hieraus erklärt sich die Absorption des Lichtes und Kirchhoffs Gesetz, »daß jeder Körper gerade diejenigen Strahlengattungen absorbiert, die er selbst auszusenden imstande ist, oder daß das Absorptionsvermögen eines Körpers für eine bestimmte Strahlenart seinem Emissionsvermögen für dieselbe proportional ist«.

Vergleicht man die von einem Körper in 1 Sekunde ausgesandte leuchtende Strahlungsenergie mit der gleichzeitig zur Erhaltung des Strahlungszustandes gebrauchten, so erhält man den Wirkungsgrad der Strahlung. Bei einer Kerzenflamme z. B. beträgt die in 1 Sekunde durch Verbrennung (Verbrauch chemischer Energie) entstehende Wärmeenergie etwa 4,9.10⁸Erg, die Energie leuchtender Strahlung nur 0,02.10⁸Erg, somit ist der Wirkungsgrad 0,4 Proz., d. h. nur ⁴/₁₀₀ der verbrauchten chemischen Energie werden durch die Flamme in leuchtende Strahlung umgesetzt. Wesentlich höher ergibt sich der Wirkungsgrad eines Auerbrenners (gegen 40 Proz.). Würde man das brennbare Material statt zur direkten Erzeugung von Licht zur Heizung einer Dampf- oder Gaskraftmaschine verwenden, die mit einer Dynamomaschine gekuppelt ist, deren Strom zur Speisung gewöhnlicher elektrischer Glühlampen dient, so ergäbe sich im günstigsten Fallein Wirkungsgrad von 3,4 Proz., bei Anwendung von Nernstlampen 12 Proz., bei gewöhnlichen Dauerbrandbogenlampen (ohne erheblichen Kohlenverbrauch) 38 Proz., bei Elektrolytbogenlampen sogar noch mehr, keinenfalls aber mehr, als dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht, dem zufolge auch im günstigsten Fall nur ein Bruchteil der aufgewendeten Wärmeenergie in Strahlung umgesetzt werden kann (und zwar dunkle mit eingerechnet), nämlich so viel, als die Temperaturdifferenz des Kessels und des Kondensators der Dampfmaschine, bez. der Umgebung dividiert durch die erstere Temperatur (gerechnet vom absoluten Nullpunkt) ergibt.

Man hat die Vermutung ausgesprochen, daß bei allaktinen Körpern eine direkte Umsetzung von elektrischer Energie in Strahlung, also Vermeidung der Bildung von Wärme, möglich wäre und damit die Erzielung eines bessern Wirkungsgrades. Indes hat sich tatsächlich der Wirkungsgrad solcher Lumineszenzlampen (Teslas Licht der Zukunft; s. Elektrische Entladungen) nicht erheblich höher erwiesen als der andrer Lichtquellen. Vgl. Drude, Lehrbuch der Oplik (Leipz. 1900).